GSM通信基站安防及载波监控系统设计

杨国荣

(西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014)

GSM通信基站安防及载波监控系统设计

杨国荣

(西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014)

基于GSM通信基站的安防及载波监控系统进行设计。监控主机采用8位AVR单片机搭载GSM无线通信模块、无线接收模块、语音模块、串口。单片机通过串口和无线接收模块连接基站安防单元传感器和载波监控无线传感器，再将采集的数据进行分析处理。若检测到异常状况则启动警笛，以起到很好的震慑作用。收端采用西门子公司生产的TC35i模块和PC机，PC机上装有串口调试和监控软件。监控主机与收端之间采用G网和Internet网络完成通信。通过对基站安防和基站覆盖区内话务量检测的阐述，为移动业务的拓展提供了新的思想和实现方法。

GSM；基站安防；载波监控

随着GSM通信基站机房的数目越来越多，由于大部分无人值守，站点设备被盗的情况屡屡发生，不仅影响了网络质量，而且给运营商造成了巨大的经济损失；因此，如何有效解决无人值守的基站、机房等站点设备的安全隐患，已成为当前急需解决的突出问题。对现代移动通信网络而言，大容量、高质量、低成本相互关联，各个运营商面临低成本竞争的同时，又要极力要求新网络建设、容量升级以及高质量的服务。随着基站覆盖区域内话务量大量增加，当高于信道容量时，容易出现网络故障。为解决上述移动通信中普遍存在的问题，本文设计了一种基于GSM基站的安防及载波监控系统[1]。

1 系统总体架构

该监控系统包括安防和载波数据的采集处理、报警信息的传输、TC35i模块与PC机间的通信以及软件对报警信息的显示等，可以完成包括市区、郊区以及乡村所有BTS机房的监控、报警，维护人员的调度与分派等功能。为了避免本地BTS机房出现重大危机，导致BTS系统瘫痪而无法发出报警信息的现象，本方案中告警信息将通过其他运营商的GSM网络来传输[2]。整个监控系统的网络结构如图1所示。

图1 BTS机房监控网络拓扑结构

2 系统的硬件设计

监控主机采用AVR单片机(ATMEGA64L8AI)、GSM通信模块(BenQ M22)和探测模块，接收模块采用TC35i模块，与PC机完成通信。硬件连接图如图2所示。

图2 硬件连接图

2.1 发端设计

采用8位AVR单片机(ATMEGA64L8AI)，通过串口、GSM无线模块以及红外接收等方式，连接基站安防单元传感器、载波监控无线传感器和信号强度测试传感器，并将采集的数据进行分析处理。若检测到异常状况则启动警笛，以起到很好的震慑作用，并且通过GSM网络和TCP/IP数据传输网络，将告警信息发送至位于中心运维部的告警信息处理中心，中心将按照规定章程向主管领导汇报，进而展开维护。

2.1.1 单片机最小系统

单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，

电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，复位电平的持续时间必须大于单片机的2个机器周期。单片机系统里都有晶振(全称叫晶体振荡器)。其结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率。单片机晶振提供的时钟频率越高，单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上[3]。

2.1.2 通信模块接口电路

通信模块接口电路如图3所示，电路设计了开机指示LED，开机后会以大约1 Hz的频率闪烁，表示接入网络，此闪烁不受单片机控制，启动信号接在P0.0上。

2.2 载波监控设计

此载波监控系统将针对G网设计，在G网中采用的关键技术是时分复用，因而此系统也将基于时隙的提取，通过设置参考电平值来判断突变话务量。

2.2.1 关键技术

图3 通信模块接口电路

该检测系统的技术核心在于能够准确生成在G网中对每个时隙进行多次采样的内部时钟，并且对复帧内部的每时隙状态进行存储和统计分析，在处理器的查询周期内输出所统计的数据信息。另外，比较器的参考门限能够根据功率信号的强度自动寻找，并且能够定时优化[4]。

2.2.2 载波容量控制的相关理论

该系统话务量检测单元由话务统计控制盘和选频检测盘2个主要模块组成。

话务统计控制盘为核心元件，是该系统的“心脏”部分。它主要完成话务量统计、门限自动查找和优化、与上位机网管通信、接收门限设置命令和查询命令等功能。

选频检测盘则集成了选频和功率检测功能，主要完成功率信号的频点选择和信号功率检测。首先，选频检测盘从基站中提取上行信号，并选出需要的频点，通过检测GSM无线帧业务时隙的电平值并将该值与已设置好的门限电平进行比较，判断时隙是否被占用；然后，话务统计控制盘对刚刚被选频检测盘所检测处理过的GSM基站上行功率信号进行分析，根据GSM物理层协议，采用相应算法完成模块所在基站话务量统计的功能；最后，将统计数据通过控制盘总线传送至单片机作进一步处理并与上位机通信[5]。2.2.3 基站解决突发话务量方法

1)确定容量/载频需求计算。通过统计及推测，确定移动通信话务量突发区的最大用户数，以每用户0.02 Erl的强度计算移动通信话务量突发区的话务突发时容量总需求。话务突发时容量总需求通过爱尔兰B公式来计算，在B为2%或5%的条件下，求得满足服务要求的总的信道数。参考GSM信道分配原则，可以确定所需总的载频数。而通常移动通信话务量突发区的现有载频资源仅仅满足常规状态下人流未集中时需求，所需的总载频数减去现有载频数即为需要增加的载频数[6]。

2)支援基站及载频的规定。通过OMC统计数据等收集通信话务量突发区的附近基站的话务量、阻塞率、载频数及频点和话务变化特征等，确定支援基站和载频。在载频的确定中，应避免支援基站与通信话务量突发区的同频干扰问题，如无合适的载频频点，必要时要和局方沟通进行局部地区的载波频点调整。

3)确定基站类型及功率。分析支援基站的具体环境，确定应信源引入方式，进行链路预算，确定应采用的直放站类型及功率。确定方案实现后，在通信话务量突发区话务量突发时的通话质量应满足：阻塞率、掉话率和接入成功率等指标。

2.3 收端设计

2.3.1 TC35i模块

该部分采用西门子公司生产的TC35i无线通信模块，可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的语音传输和短消息服务。模块的工作电压为3.3～4.8 V，可以工作在900和1 800 MHz 2个频段，所在频段功耗分别为2和1 W。通过AT命令操作模块，支持TXT和PDU模式的短消息。

2.3.2 PC机与TC35i通信

PC机通过RS 232串口与TC35i相连，为了测试连接是否成功，可以通过超级终端或者串口调试助手打开相应的端口，并且通过AT命令对TC35i模块进行初始化。

2.3.3 短信息收发操作过程

对短信息的控制共有3种模式：Block Mode、基于AT指令的PDU Mode和基于AT指令的Text Mode。目前，发送短信息常用Text和PDU Mode。使用Text模式收发短信代码简单，实现起来容易，但是不能收发中文短信。本文重点介绍Text模式收发英文或数字短信。PDU模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。在开始收发短信之前，需要开通一张可以提供短信息服务的SIM卡并插入SIM卡的卡座中，安装好TC35i的天线；然后给整个系统上电，观察LED的状态，确定TC35i已经正常工作且处于待机状态；最后确定PC机与TC35i已经连接上[7]。

3 系统的软件设计

软件系统可以对监控设备进行可执行操作，其具有性能管理、告警管理、配置管理和维护管理等功能，除这些功能外本系统也可进行功能升级和补充。软件工作流程图如图4所示。

图4 软件工作流程图

该系统具有很强的安全性，当工作人员需要进行操作和监控时需要登录该系统， 并且该系统具有后台数据库，其中保存了已注册人员的信息以及已 监控机房的位置信息。监控系统本身具有可操作性，可动态显示窗口，还可生成水晶报表及时向相关领导进行汇报。登录成功后将进入软件主界面，该界面可以实时地显示监控的所有机房，以及已发生的某种安防警告，工作人员可以进行进一步必要的操作，完成报表的生成，向主管领导进行汇报[8]。

为了实时性的操作以及更加灵活的扩展性，该软件还设计了告警信息查询、告警信息处理、增设和减少监控机房以及修改监控机房等功能。

4 结语

该系统拥有多重防范报警措施和预警功能，可以做到对BTS机房内设备的安全预警和基站覆盖区域内的话务量检测，并适用于所有GSM通信基站。通过对基站安防和基站覆盖区内话务量检测的研究，为移动业务的拓展提供了新的思想和实现方法，具有一定的实践意义。

[1] 孙冉.移动通信基站的后台监控系统研究[D].曲阜：曲阜师范大学，2013.

[2] 陈景文. GSM直放站话务量检测统计的实现与应用[J].移动通信，2008(7)：17-19.

[3] 李鹏.雷电脉冲对移动通信基站影响的研究脉冲[D].北京：北京邮电大学，2012.

[4] 王华,牛小龙.基于GSM网络的防盗报警系统的设计[J].淮阴师范学院，2012(4)：23-25.

[5] 吴金贵.基于SDR平台GSM系统接收机关键技术的研究[D].上海：上海交通大学，2010.

[6] 周艳丽,魏宗寿.利用TC35i和PC及实现短信息的收发[J].兰州交通大学，2007(3)：14-16.

[7] 胡海涛.通信基站电磁辐射测量系统[D].郑州：郑州大学，2007.

[8] 王守华,黄晓. 基于无线传感和GSM场测试在现代农业中的应用[J].安徽农业科学，2011(32)：87-91.

责任编辑郑练

DesignofSecurityandCarrierMonitoringSystembasedonGSMBase-station

YANG Guorong

(Xi′an Railway Vocational and Technical Institute, Xi′an 710014, China)

This article is based on GSM communication base station security monitoring system to carry on the design and the carrier. Monitoring host is equipped with 8-bit AVR SCM,GSM wireless communication module, wireless receiver module, voice module and serial. Wireless carrier monitoring sensor, through the serial port and wireless receiver module, then it will analyze and process the data collected; Detecting an abnormal condition, it will start the sirens in order to play a better deterrent. Receiving end uses PC and TC35i module produced by Siemens, equipped with serial debugging software and monitoring software on the PC. It uses G network and the Internet to complete the communication between the monitoring host and receiving end. This paper describes the security and detection of traffic in coverage area of base station, providing new ideas and implementation methods for the expansion of mobile services.

GSM, base station security, carrier monitoring

TN 929.5

：A

杨国荣(1976-)，女，副教授，硕士，主要从事铁路通信与信息系统等方面的研究。

2014-12-15